2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT
2.8.1 Phương pháp xác định hàm mục tiêu độ ẩm cuối của sản phẩm sấy
Xác định độ ẩm ban đầu của vật liệu dứa bằng thực nghiệm. Chúng ta tiến hành cân lượng nguyên liệu xoài Gbđ đã được sơ chế. Sau đó sấy đến khối lượng không đổi, cân lại thu được lượng dứa sau cùng Gs. Sau đó tiến hành tính độ ẩm theo công thức sau: bñ s o bñ G G G (%) (2.1) Trong đó:
Gbđ: Khối lượng nguyên liệu ban đầu (kg);
Gs: Khối lượng sau khi sấy (kg);
o
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 62 Ta tiến hành xác định hàm mục tiêu độ ẩm của sản phẩm sấy. Gọi hàm mục tiêu độ ẩm sản phẩm sấy y1 (%), ta có: Gbđ (1- o) = Gs (1 – y1) (2.2) Từ (2.17) suy ra: y1 = 1 - bñ o s G (1 ) G (2. 3)
1.8.2. Phương pháp xác định hàm mục tiêu chi phí năng lượng
Mức năng lượng tiêu thụ: (y2, kW/h) cho 1 kg sản phẩm được xác định theo công thức: y2 = , kW/h (2.4) Trong đó: G – là khối lượng sản phẩm (kg). U – chỉ số Volt kế (V). I – chỉ số Ampe kế (A). – thời gian sấy (s). cos( ) – hệ sô công suất.
1.8.3. Phương pháp cổ điển tối ưu hóa
Trong quá trình thiết kế và chế tạo hệ thống sấy đối lưu thông minh chúng tôi tốn rất nhiều thời gian, số thí nghiệm tiến hành và lặp lại lớn, việc phân tích các hàm mục tiêu bằng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm đòi hỏi phải có khoảng thời gian dài đủ để làm việc đó.
Trong giới hạn thời gian cho phép, chúng tôi chỉ sử dụng phương pháp thực nghiệm cổ điển tối ưu hóa đánh giá chất lượng hệ thống đã thiết kế và kiểm tra các
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 63 hàm mục tiêu về chất lượng sản phẩm. Chúng tôi tiến hành quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp cổ điển như sau:Phân tích đối tượng công nghệ cần nghiên cứu, giả sử có (x1, x2, …, xn) biến tác động đến đối tượng công nghệ, ảnh hưởng trực tiếp đến mực tiêu cần quan tâm là y, hình 2.4. dưới đây [11], [15], [16].
Để giải bài toán này theo phương pháp cổ điển thì ta có thể thực hiện các bước sau:
Bước 1: Cho giá trị x2, …, xn = const, bố trí thí nghiệm thông số x1 trong khoảng [Ax1, Bx1], khoảng biến thiên x1 = (Bx1 – Ax1)/n, vậy giá trị làm thực nghiệm là: x10 =
Ax1, x11 = Ax1 + Δx1,…, x1n = Ax1 + nΔx1 = Bx1 [11]. Xem bảng 2.1.
Bảng 2.1. Thực nghiệm với x2, …, xn = const
x1 x10 x11 … x1n
y y10 y11 … y1n
Biểu diễn dữ liệu thực nghiệm trên đồ thị sẽ xác định được cực trị của y11opt tại x11opt.
Bước 2: Cho giá trị x11opt, …, xn = const, bố trí thí nghiệm thông số x2 trong khoảng [Ax2, Bx2], khoảng biến thiên Δx2 = (Bx2 - Ax2)/n, vậy giá trị làm thực nghiệm là: x20 = Ax2, x21 = Ax2 + Δx2,…, x2n = Ax2 + nΔx2 = Bx2 [11].
Xem bảng 2.2. xj x2 xn Hộp đen x1 y1
Hình 2.4. Đối tượng công nghệ cần nghiên cứu Hình 2.1. Đối tượng công nghệ cần nghiên cứu
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 64 Bảng 2.2 . Thực nghiệm với x11opt, …, xn = const
x2 x20 x21 … x2n
y y20 y21 … y2n
Biểu diễn dữ liệu thực nghiệm trên đồ thị sẽ xác định được cực trị của y12opt tại x21opt.
Tương tự như vậy cho x3, x4, …, xn-1.
Bước n: cho giá trị x11opt, …, xn-1(n-1)opt = const, bố trí thí nghiệm thông số xn2 trong khoảng [Axn, Bxn], khoảng biến thiên Δxn = (Bxn - Axn)/n, vậy giá trị làm thực nghiệm là: xn0 = Axn, xn1 = Axn + Δxn,…, x2n = Axn + nΔxn = Bxn [11]. Xem bảng 2.3.
Bảng 2.3. Thực nghiệm với x11opt, …, xn-1(n-1)opt = const
xn xn0 xn1 … xnn
Y yn0 yn1 … ynn
Biểu diễn dữ liệu thực nghiệm trên đồ thị sẽ xác định được cực trị của ynnopt tại xnnopt. Nếu y1opt = y2opt = … =ynopt thì (x11opt, x22opt, …, xnnopt) là nghiệm tối ưu. Tuy nhiên, thực tế không bao giờ xãy ra, vì thế người làm thí nghiệm phải làm lại thực nghiệm từ bước 1 cho đến bước n trong mine khảo sát hẹp hơn, miền khảo sát lúc này là [axj, bxj] [Axj, Bxj].
Các bước thực thiện lại từ đầu:
Bước 1: Cho giá trị x2, …, xn= const, bố trí thí nghiệm thông số x1trong khoảng [ax1,
bx1] với (ax1< Ax1và bx1<Bx1], khoảng biến thiên Δx1= (bx1- ax1)/n, vậy giá trị làm thực nghiệm là: x10= ax1, x11= ax1+ Δx1,…, x1n= ax1+ nΔx1= bx1[11]. Xem bảng 2.4.
Bảng 2.4. Thực nghiệm với x2, …, xn = const
x1 x10 x11 … x1n
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 65 Biểu diễn dữ liệu thực nghiệm trên đồ thị sẽ xác định được cực trị của y1opt tại x1opt.
Bước 2: Cho giá trị x11opt, …, xn = const, bố trí thí nghiệm thông số x2 trong khoảng [ax2, ax2], khoảng biến thiên Δx2 = (bx2 - ax2)/n, vậy giá trị làm thực nghiệm là: x20 = ax2, x21 = ax2 + Δx2, …, x2n = ax2 + nΔx2 = bx2 [2]. Xem bảng 2.5.
Bảng 2.5. Thực nghiệm với x11opt, …, xn = const
x2 x20 x21 … x2n
Y y20 y21 … y2n
Biểu diễn dữ liệu thực nghiệm trên đồ thị sẽ xác định được cực trị của y2opt tại x21opt.
Tương tự như thế cho đến khi nào: y1opt = y2opt = … =ynopt thì (x11opt, x22opt, …, xnnopt) là nghiệm tối ưu và kết thúc quá trình thực nghiệm.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 66
3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
3.1. Xác định các thông số tối ưu cần thiết cho tính toán, thiết kế.
Trong quá trình tìm hiểu, tham khảo tài liệu tổng quan và phân tích tổng hợp các chương trình nghiên cứu đã được công bố cùng với kinh nghiệm thực tế. Chúng tôi lựa chọn các thông số dưới đây để tính toán và thiết kế chế tạo hệ thống sấy đối lưu sao cho phù hợp với thực tiễn.
Bảng 3.1. Thông số có bản cần cho thiết kế
Thông số Giá trị
Nguyên liệu Xoài
Nguyên lý hoạt động sấy Sấy đối lưu
Nguồn nhiệt Điện trở calorife
Khối lượng nguyên liệu tối đa 12 kg
Thời gian sấy Giờ
Dựa vào kinh nghiệm thực tế, chúng tôi lựa chọn các thống số vật lý để tiến hành quá trình tính toán cho các bước tiếp theo:
Bảng 3.2. Thông số vật lý
Thông số Giá trị
Độ ẩm ban đầu ( 1) 85,1%
Độ ẩm sau khi sấy ( 2) 10%
Nhiệt độ ban đầu (t0) 27℃
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 67
3.2. Tính toán kích thước buồng sấy
3.2.1. Tính toán thể tích chứa sản phẩm
Khối lượng riêng của xoài lớn hơn khối lượng riêng của nước: = 1010 kg/m3
Suy ra: Vngl = = = 0,012 (m3) (3.1)
Trong đó: Gngl là khối lượng nguyễn liệu chứa tối đa ở trong buồng sấy, kg
Vngl là thể tích nguyễn liệu chứa tối đa trong buồng sấy, m3
Vậy 12 kg nguyên liệu xoài chiếm thể tích là 0,012 (m3)
3.2.2. Tính toán thể tích và kích thước buồng sấy
Khay để nguyên liệu sấy có kích thước dài x rộng x cao = 575 mm x 300 mm x 30 mm, mỗi khay chứa 1 kilogram nguyên liệu. Được gia công bằng chất liệu Inox 316.
Diện tích đáy mỗi khay sấy:
Sk = 0,575 x 0,3 = 0,1725 (m2) (3.2)
Thể tích 1 kilogram nguyên liệu:
V1kg = = = 0,001 (m3) (3.3)
Diện tích 1 kilogram nguyên liệu có chiều cao 10 mm là:
Sngl = = = 0,1 (m2) (3.4)
Độ rỗng của nguyên liệu chứa trên 1 khay là:
Φ = 1 - x 100% = 1 - x 100% = 42 % (3.5) → Số khay sấy là 12 khay (thỏa mãn)
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 68 Như vậy, 12 khay sấy sẽ được sắp xếp thành 2 dãy trong buồng sấy, mỗi dãy gồm 6 khay. Khoảng cách giữa bề mặt các khay với nhau là 120 (mm), giữa khay trên cùng với nóc buồng sấy cũng như khay dưới cùng với đáy buồng sấy là 100 (mm).
Như thế kích thước trong của buồng sấy được lựa chọn như sau:
-Chiều cao: C = 800 (mm) -Chiều sâu: D = 700 (mm) -Chiều ngang: R = 900 (mm)
Vậy kích thước trong buồng sấy: 710mm x 605mm x 800mm (D x R x C)
Vật liệu để chế tạo tủ sấy là Inox. Vách ngoài buồng sấy là các vách rỗng với các tấm bông thủy tinh chèn giữa giúp nâng cao khả năng giữ nhiệt bên trong và cách nhiệt với bên ngoài, làm tăng hiệu suất máy sấy. Bề dày các vách được thiết kế là 40 mm trừ bề dày cánh cửa tủ sấy: 30 mm.
→ Kích thước tổng thể của máy sấy:
Chiều sâu máy sấy: D = 1300 (mm) -Phần buồng sấy: 700 (mm)
-Phần quạt và calorife: 600 (mm) -Chiều ngang máy sấy: R = 1000 (mm)
-Chiều cao máy sấy: 1037 (mm) (Bao gồm bánh xe)
3.2.3. Các thông số cần xác định cho các phép tính nhiệt lượng sấy
-Năng suất đầu ra của sản phẩm, công thức (2.4):
G2 = G1 = 12 = 1,99 (kg/mẻ)
-Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy, công thức (2.5):
W = G1 – G2 = 12 – 1,99 = 10,01 (kg/mẻ)
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 69
Gk = = = 1,79 (kg)
-Lượng nước ban đầu có trong vật liệu:
Gnbđ = = = 10,21 (kg) (3.6) -Lượng nước còn lại sau khi sấy:
Gncl = Gnbđ – W = 10,21 – 10,01 = 0,2 (kg) (3.7)
3.2.4. Tính nhiệt tải cho hệ thống sấy
Nhiệt lượng cần xác định sẽ bao gồm: nhiệt làm nóng vật liệu sấy, nhiệt làm nóng không khí trong buồng sấy, nhiệt làm nóng khay sấy, nhiệt tổn thất qua vách…
Nhiệt tải cho hệ thống sấy được xác định theo phương trình sau:
Q = Q1 + Q2 + Q3 (kJ) (3.8)
Trong đó :
-Q1 ( kJ ) : lượng nhiệt làm bay hơi ẩm từ tbd : 30 đến nhiệt độ tối đa ttđ = 100 . -Q2 ( kJ ) : lượng nhiệt đốt nóng nguyên liệu từ tbđ : 30 đến nhiệt độ tối đa ttđ: 100 . -Q3 ( kJ ) : lượng nhiệt đốt nóng lượng các thiết bị phụ từ nhiệt độ ban đầu tbđ = 30 đến nhiệt độ tối đa ttđ = 100 .
-N4 ( W ) : công suất nhiệt tổn thất ra môi trường.
3.2.4.1 Xác định lượng nhiệt làm bay hơi ẩm trong nguyên liệu Q1
Q1 = q = l (h1 – h0) ( kJ ) (3.9) -Trạng thái không khí bên ngoài: t0 = 300C, φ = 74%.
-Phân áp suất bão hòa hơi nước Pb bằng:
Pb = exp (12 - ) (3.10)
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 70 -Lượng chứa ẩm d0:
d0 = 0,621 (3.11)
= 0,621 = 0,0201 (kg ẩm/kgkkk)
-Nhiệt dung riêng dẫn xuất Cdx:
Cdx(d0) = Cpk + Cpa d0 (3.12) = 1,004 + 1,82 0,0201 = 1,0411 (kJ/kgkkk)
-Entalpy:
h0 = 1,004 t0 + d0 (2500 + 1,842 t0) (3.13) = 1.004 30 + 0.0201 (2500 + 1.842 30) = 81.5154 (kJ/kgkkk)
-Khối lượng riêng của không khí:
ρk0 = (3.14)
= 105 = 1,1173 kg/m3
Trạng thái không khí vào buồng sấy: với t1 = 1000C -Phân áp suất bão hòa hơi nước Pb1:
Pb1 = exp (12 - ) (3.15) = exp (12 - ) = 1.0302 bar -Lượng chứa ẩm: d1 = d0 = 0.0201 (kg ẩm/kgkk) -Entalpy: h1 = 1.004t1 + d1(2500 + 1.842t1) (3.16) = 1.004 100 + 0.0201(2500 + 1.842 100) = 154.4201 (kJ/kgkkk)
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 71 -Độ ẩm tương đối:
φ1 = (3.17)
= = 3.2 % -Khối lượng riêng của không khí:
ρk1 = (3.18)
= 105 = 0.9020 kg/m3
Trạng thái không khí ra khỏi buồng sấy
-Nhiệt độ và độ ẩm không khí vào buồng là t1 = 1000C, φ1 = 3.2%. -Chọn nhiệt độ khi ra khỏi buồng sấy t2 = 800C.
-Phân áp suất bão hòa hơi nước:
Pb2 = exp (12 - ) (3.19) = exp (12 - ) = 0.4667 (bar) -Lượng chứa ẩm d2 = d0 + (3.20) = 0.0201 + = 0.028 (kg ẩm/kgkkk) -Độ ẩm tương đối: φ2 = (3.21) = = 8.9 %
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 72 -Khối lượng riêng của không khí
ρk2 = (3.22)
= x 105= 0.9394 (kg/m3)
-Tiêu hao không khí lý thuyết trên 1 kilogram ẩm:
l = (3.23)
= = 127.146 (kgkkk/kg ẩm) -Tiêu hao không khí:
L = l W (3.24) = 127.146 10,01 = 1272,73 (kg) -Thể tích tác nhân sấy là: V1 = (3.25) = = 1411, 01 m3 Vtb1 = (3.26) = = 6527.7 m3
-Suy ra tiêu hao nhiệt:
q = l (h1 – h0) (3.27)
= 127.146 x (154.4201 - 81.5154) = 9265.76 (kJ/kg ẩm)
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 73
Vậy từ công thức (3.9) ta có lượng nhiệt làm bay hơi ẩm:
Q1 = q.W = 9265.76 x 10,01 = 86449,54 (kJ)
3.2.4.2 Xác định lượng nhiệt đốt nóng nguyên liệu (Q2)
Q2 = mngl x cngl x (ttđ – tbđ), (kJ) (3.28) Trong đó:
-mngl: khối lượng nguyên liệu, kg -cngl: nhiệt dung riêng của nguyên liệu
-tbđ: nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu (nhiệt độ môi trường), chọn bđ = 30 oC -ttđ: nhiệt độ sấy tối đa, chọn ttđ = 100 oC
Bảng 3.3. Nhiệt dung riêng của thành phần thực phẩm theo nhiệt độ ( -40 t 150 ) [24]. Thành phần chính Công thức Protein cp = 2,0082 + 1,2089.10-3.t – 1,3129.10-6 .t2 Lipid cp = 1,9842 + 1,4733.10-3.t – 4,008.10-6 .t2 Cacbohydrat cp = 1,5488 + 1,9625.10-3.t – 5,9399.10-6 .t2 Chất xơ cp = 1,8495 + 1,8306.10-3.t – 4,6509.10-6 .t2 Tro cp = 1,0926 + 1,8896.10-3.t – 3,6817.10-6 .t2 Nước ( 0 – 150 ) cp = 4,1762 – 9,0864.10-5.t + 5,4731.10-6 .t2
Với 0 < t < 150 , giá trị trung bình cptb trong khoảng nhiệt độ từ tbđ = 30 đến nhiệt độ tối đa ttđ = 100 được xác định như sau:
Cptb = f (t) = 4,1762 – 9,0864.10-5.t + 5,4731.10-6 .t2 , kJ/(Kg.K) (3.29) → Cptb = 4,1762 – 9,0864.10-5.t + 5,4731.10-6 .t2) dt
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 74 =
= 4,196 (kJ/(Kg.K))
Bảng 3.4. Thành phần hóa học của xoài trong 100g
Thành phần Phần trăm ( % ) Nước 81,2 Protein 0,4 Lipid 0,2 Glucid 12,5 Xelluloza 0,4 Chất khoáng (tro) 0.3
Nhiệt dung riêng trung bình của protein, chất béo, cacbohydrat, chất khoáng trong khoảng nhiệt độ ban đầu tbd = 30 đến nhiệt độ tối đa ttđ = 100 được xác định như sau: Cprotein = 2,0082+1,2089.10-3.t – 1,3129.10-6 .t2 )dt (3.30) = = 2,081 kJ/(kg.K) Cchất béo = 1,9842+1,4733.10-3.t – 4,008.10-6 .t2 )dt (3.31) = = 2,0614 kJ/(kg.K) Cglucid = 1,5488+1,9625.10-3.t–5,9399.10-6 .t2 )dt (3.32)
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 75 = = 1,6488 kJ/(kg.K) CCelluloza = 1,8495 + 1,8306.10-3.t – 4,6509.10-6 .t2)dt (3.33) = = 1,9469 kJ/(kg.K) Cchất tro = 1,0926 + 1,8896.10-3.t – 3,6817.10-6 .t2 ) dt (3.34) = = 1,1984 kJ/(kg.K)
- Xác định nhiệt dung riêng chất khô trong nguyên liệu, ta có:
Cngl = ( kJ/(kg.K )) (3.35)
Trong đó:
-Xj (%): phần trăm khối lượng các thành phần hóa học trong nguyên liệu -Cngl (kJ/(kg.K ) : nhiệt dung riêng của xoài
Từ công thức (3.35) ta có nhiệt dung riêng của xoài:
Cngl = 2,081 0,4% + 2,0614 0,2% + 1,6488 13,5% + 1,9469 0,4% + 1,1984 10%
= 3,63 (kJ/(kg.K))
Vì nước là thành phần chủ yếu trong các loại thực ẩm nên để áp dụng cho nhiều loại nguyên liệu khác, chúng tôi sử dụng nhiệt dung riêng của nước
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 76 cn = 4,186 kJ/(Kg.K) lớn hơn nhiệt dung riêng của xoài cngl = 3,63 kJ/(kg.K) để tính toán.
Vậy từ công thức (3.28) ta có lượng nhiệt đốt nóng sản phẩm:
Q2 = mngl cn (ttđ – tbđ) (3.36) = 12 4,186 (100 - 30)
= 3516,24 (kJ)
3.2.4.3 Xác định lượng nhiệt đốt nóng các thiết bị phụ (Q3)
* Khối lượng khay (mk)
-Khay có kích thước là: 575 mm x 300 mm x 30 mm, độ dày 1mm -Tỉ lệ lỗ là 70%
-Vật liệu inox 304
-Khối lượng riêng 7930 (kg/m3) -Nhiệt dung riêng cp = 0,5 kJ/(kgK)
Ta có khối lượng mỗi khay:
mk = (0,575 x 0,3 x (1 - 0,7) + (0,575 + 0.3) x 2 x 0,03) x 0,001 x 7930
= 0,8267 (kg) (3.37)
Suy ra tổng khối lượng của 12 khay:
mkhay = 12 x m1k = 12 x 0,8267 = 9,92 (kg) (3.38)
* Khối lượng vỏ trong và vách buồng cấp gió (mvv) Bảng 3.5. Kích thước lớp vỏ trong
Cao Rộng Dài Độ dày Khối lượng
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 77 Bảng 3.6. Kích thước hai vách buồng cấp gió
Cao Rộng Độ dày Diện tích lỗ Khối lượng
800 mm 600 mm 1mm 0.056 m2 7,17 kg
Suy ra:
mvv = mvỏ + mvách = 35,21 + 7,17 = 42,38 (kg) (3.39)
* Khối lượng khung (mkhung)
Bảng 3.7. Thông số hệ thống khung
Loại Độ dài Độ dày Khối lượng Số
lượng Inox hộp chữ nhật 20x10 mm 600 mm 1 mm 0,138 kg 4 Inox hộp chữ nhật 20x10 mm 800 mm 1 mm 0,184 kg 12 Ống inox đường kính 10mm 320 mm 0,8 mm 0,059 kg 36 Suy ra: mkhung = 0,138 x 4 + 0,184 x 12 + 0,059 x 36 = 4,884 (kg) (3.40)
Vậy ta có lượng nhiệt làm nóng thiết bị phụ tính như sau:
Q3 = (mkhay + mvv + mkhung) cp t (3.41) = (9,92 + 42,38+ 4,884) 0,5 ( 100 – 30 ) = 2001,44 (kJ)
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 78
3.2.4.4 Xác định tổn thất nhiệt ra môi trường (Q4)
Phương trình truyền nhiệt qua vách phẳng:
bn 2 1 4 3 1 2 1 2 3 F (t t ) Q (3.42) Với:
-t2 : là nhiệt độ buồng sấy, t1 là nhiệt độ môi trường -λ1, λ3 : là hệ số dẫn nhiệt của inox λ1 = 16 (W/m.độ)
-λ2 : là hệ số dẫn nhiệt của lớp Polyurethane foam λ2 = 0,047 (W/m.độ)